CC BY
32
УДК 621.791.79
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК С ПОМОЩЬЮ ШТАМПОСВАРНОГО МЕТОДА ДрижовВиктор Сергеевич, к.т.н., доцент (е-mail: [email protected]) Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
В данной статье рассмотрены особенности технологического процесса изготовления кольцевых заготовок штампосварным методом. В процессе выполнения работы проведены экспериментальные исследования влияния параметров режима контактной стыковой сварки оплавлением на качество сварного соединения кольцевой заготовки, изготавливаемой из двух половинок. Установлено, что определяющее влияние на качество сварного соединения оказывает скорость оплавления. Проведенные исследования прочности сварного соединения, а также металлографический анализ зоны соединения, позволили определить оптимальные параметры режима сварки. Полученные в работе результаты могут быть использованы при изготовления кольцевых заготовок, в том числе и колец подшипников.
Ключевые слова: кольцевая заготовка, контактная стыковая сварка, скорость оплавления, качество соединения
В настоящее время в различных отраслях машиностроения при изготовлении кольцевых деталей все более широкое применение находят технологические процессы на основе сварки. Данные технологии позволяет не только увеличить коэффициент использования металла, но и существенно уменьшить трудоемкость изготовления кольцевых деталей.
Известно успешное внедрение в промышленности процессов сварки для изготовления деталей замкнутой формы различного назначения: диски колес автомобилей, элементы двигателей, различные бандажи, фланцы и др. Одним из наиболее экономичных и технически простых процессов соединения стыка кольцевых заготовок является контактная стыковая сварка [1,2,3]. Этот процесс позволяет сформировать не только заданное качество металла сварного соединения, но и обеспечивает высокую вероятность (стабильность) получения хорошего уровня качества. Кроме того, применяемое оборудование выполняет роль и сборочного приспособления, что позволяет объединить сборочные и сварочные операции.
Следует обратить внимание на то, что наибольшее количество деталей замкнутой формы изготавливаются в подшипниковой промышленности. В данной отрасли машиностроения процессы на основе сварки к настоящему времени не нашли широкого применения. Данное обстоятельство объясняется в первую очередь тем что для элементов подшипника применяются специальные сплавы, а также установлены жесткие требования к однородности свойств рабочих поверхностей колец и тел качения. Как показывает опыт, производство сварных конструкций из сталей высокой прочности
сопряжено со значительными трудностями [4]. Основная проблема связана с высокой вероятностью образования трещин в металле сварного соединения и сложностью получения свойств этой зоны, равноценных основному металлу.
Необходимо обратить внимание и на то, что сварка - это технологический процесс, при котором металл зоны соединения подвергается в неравновесных условиях как металлургическому, так и термомеханическому воздействию. В результате в этой зоне развиваются многочисленные физико-химические процессы, характер воздействия которых, а также степень их завершённости имеют большое значение на формирование структуры металла, и как следствие, на работоспособность изделия. Все эти явления тормозят, а в отдельных случаях и исключают возможность применения технологических процессов сварки при изготовлении подшипников.
К наиболее перспективным технологическим процессам, которые нашли или могут найти эффективное применение на подшипниковых заводах следует отнести:
1. Изготовление колец подшипников с помощью штампосварного метода.
2. Изготовление двухслойных колец подшипников, сердцевина которого изготавливается с помощью штампосварного метода из пластичных, хорошо свариваемой стали, а на рабочую поверхность наплавляется прочная износостойкая сталь, обеспечивающая необходимую работоспособность изделия.
3. Соединение полусепараторов с помощью различных методов сварки: рельефной [5], лазерной, электронно-лучевой, аргоно-дуговой.
4. Изготовление пустотелых крупногабаритных тел качения.
5. Изготовление из среднеуглеродистых сталей с помощью штампосвар-ного метода вспомогательных деталей подшипников: шайб, дистанционных колец и т. п.
В настоящей работе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой технологического процесса изготовления кольцевых заготовок, геометрические размеры которых соответствуют размерам колец подшипника 114 (таблица №1).
Технологический процесс изготовления кольцевой заготовки включал в себя:
- формирования кольца из полосы;
- сварка стыка кольцевой заготовки;
- удаление грата, полученного в процессе сварки;
- калибровка кольцевой заготовки с целью получения требуемых геометрических размеров (проверка качества сварной заготовки).
Таблица№1
Наружное кольцо Внутреннее кольцо
Параметр п/ш [14 п/ш 114
деталь заготовка деталь заготовка
Наружный диаметр, мм 110 114 70 87
Внутреннее диаметр, мм 97,7 94 82,8 67
Ширина, мм 20 23 20 23
В рамках данной работы были проведены исследования основных параметров режима контактной стыковой сварки оплавлением на качество соединения.
Материал полосы - сталь 20Х, химический состав стали приведен в таблице №2
Таблица №2
Химический состав стали 20Х
С,% Si,% Мп,% а-,% Си,% S,% Р,%
17-0,25 0,17-0,37 0,5-0,8 0,7-1,0 <0,3 <0,3 <0,035 <0,035
Технологический процесс изготовления кольцевой заготовки может осуществляться по двум вариантам, представленных на рис.1.
350 В 380 в
О о
Рисунок 1 - Варианты изготовления кольца из полосового проката.
По первому варианту (рис. 1 «а») кольцо формируется из полосы, длина которой равна длине окружности готового кольца плюс величина на оплавление и осадку. В этом случае кольцевая заготовка будет иметь один сварной шов. Особенностью изготовления кольцевой заготовки по данному варианту является, во-первых, шунтирование тока изделием. Этот фактор вызывает необходимость использование при сварке более мощного оборудования, чем при сварке разомкнутых изделий равного сечения.
Во-вторых, как показано в работе [6] в случае использования такой кольцевой заготовки часть усилия осадки, необходимого для формирования соединения, расходуется на преодоление сил, возникающих как за счет
упругой деформации кольца, так и за счет неравномерного нагрева. Данное обстоятельство приводит к необходимости увеличения усилия осадки, примерно, на 17%. Кроме того, после снятия нагрузки будут действовать растягивающие остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению металла соединения, или снизить работоспособность детали.
Особо следует подчеркнуть, что обеспечить при сварке по данному варианту стабильного протекания технологического процесса для колец относительно небольшого диаметра практически невозможно.
В связи с вышеизложенным был выбран вариант 2 (рис.1 «б»), при котором кольцевая заготовка изготавливалась из двух половинок.
Одним из основных требований, предъявляемых к технологическому процессу изготовления кольца штампосварным методом является получение свойств металла зоны соединения, близких к свойствам основного металла. Этому условию в большей степени удовлетворяет метод соединения с помощью контактной стыковой сварки оплавлением.
При таком способе сварки сварочный ток будет разветвляться на два потока (кольцевая заготовка изготавливается из двух половинок). В соответствии с этим общее свариваемое сечение будет равно двум сечениям кольца: Бобщ. = 230х2 = 260мм2. Для сварки деталей, имеющих такое поперечное сечение, целесообразно было использовать стыковую сварочную машина типа МС1602.
Ориентация полуколец относительно друг друга осуществлялась в специальных призматических приспособлениях, закрепленных в зажимах-токоподводах сварочной машины.
При сварке оплавлением электрические параметры режима зависят от теплопроводности, температуры плавления металла и определяются в основном скоростью оплавления, которая, в свою очередь, задается как с учетом активности металла по отношению к окружающей среде, так и интенсивностью испарения легирующих элементов, а также от сечения свариваемых деталей. Усилие осадки и скорость осадки определяются теплопроводностью металла и его активностью по отношению к кислороду.
При контактной стыковой сварке изделий замкнутой формы важно определить оптимальную величину усилия осадки. При недостаточном усилии осадки не будут соблюдаться необходимые условия формирования соединения в твердой фазе, а при перегреве металла укорочение детали будет слишком велико. И то, и другое приводит к ухудшению качества кольцевой заготовки [1].
В соответствии с вышеизложенным был проведен выбор оптимальных параметров режима сварки, при которых процесс протекал бы устойчиво, а качество сварного соединения кольца заготовки находилось на заданном уровне. Критерием хорошего качества сварного соединения являлось отсутствия несплавлений, пор и трещин. Наличие или отсутствие данных дефектов в зоне соединения определялось с помощью металлографических исследований.
Брак и дефекты при сварке в основном проявляются после операции калибровки или в процессе последующей механической обработки. Дефектными можно считать те кольца, в которых при снятии усилия осадки в стыке образуются трещины или происходит разрушение вдоль сварного стыка [1].
Результаты проведенных исследований влияния параметров режима контактной стыковой сварки оплавлением на качество сварного соединения кольцевой заготовки представлены на рис.2
Одним из главных параметров режима стыковой сварки оплавлением является скорость оплавления (Уопл.). Она оказывает решающее влияние на температурное поле, равномерность распределения температур, рельеф поверхности торцов, степень окисления металла торцов, качество сварного соединения. Для устойчивого равномерного оплавления мгновенная скорость сближения деталей должна соответствовать мгновенной скорости оплавления. В соответствии с этим скорость оплавления должна быть жестко связана с плотностью сварочного тока.
Как показали наши исследования при скорости сближения заготовок Уопл. = 0,4мм/с процесс оплавления устойчиво развивается в широком диапазоне плотностей тока (рис.2 «а»). Получить же необходимый уровень качества сварного соединения при данной скорости оплавления не удалось. При величине оплавления А = 5 мм в зоне шва образуется несплавление, увеличение величины оплавления до А = 8 мм позволяет исключить данный дефект, но в зоне соединения образуются поры.
Несплавление (непровар) образуется в том случае, когда при осадке не удается выдавить все оксидные пленки, часть которых остается в металле. Данное обстоятельство обуславливает отсутствие по всей поверхности металлических связий и, как следствие, в этой зоне нет общих зерен. Следует отметить, что непровар снижает как пластичность, так и прочность сварного соединения - ухудшает механические свойства.
При скорости сближения свариваемых заготовок Уопл. = 0,8мм/с и напряжении и = 6,04В (рис.2 «б») устойчивое оплавление достигается при условии предварительного подогрева (минимальное количество импульсов тока - 3 шт.). Следует отметить, что качество сварного соединения находится на заданном уровне как при величине оплавления А = 6,0 мм, так и А = 8,0 мм.
Снижение напряжения холостого хода до И = 5,43 В с одной стороны приводит к увеличению количества импульсов подогрева, а с другой стороны в зоне соединения начинают возникать поры.
из
д\
5
и,в
6 5
Л
1
о
из
6 б
4
о
из
б
5
4
\~опл. = 0,4 мм/с
(люд. - 0
—о
я
4 8 12 Уопл. - 0,8 мм/с
16 Лт
мм
(под, - 3 имп.
8
12
16
Аг,
ММ
Уопл. = 1,2 мм/с (под. = 16 имп.
3
12
16
¿Г
мм
<0> 08->12 (0) Д 5->17
(3)
88а
10
»-►18,6
0,4 0,6 0,8 1,0 Ус пл., мм/с
Рисунок 2 - Влияние параметров режима сварки на качество металла сварного соединения кольцевой заготовки (в скобках указано количество импульсов)
А- величине оплавления;^ - качество хорошее^ - поры; Уу - непровар; ^ - нет стабильного процесса оплавления; ^^ Дальнейшее увеличение скорости оплавления до Уопл. = 1,2 мм/с приводит к необходимости снижения плотности тока (и = 5,43 В) и увеличению количества импульсов подогрева (рис. 2 «в»). При данной скорости
оплавления наблюдается существенное увеличение общей деформации заготовок. Это обстоятельство может существенно увеличить расход металла, а также увеличить трудоемкость последующей обработки, так как потребуется срезать «рваный» по форме, большой по высоте и ширине грат. При данной скорости оплавления хорошее качество сварного соединения формируется при величине оплавления А = 8,0 мм.
Рис.3 Циклограмма технологического процесса стыковой сварки
оплавлением при изготовлении кольцевой заготовки подшипника 114 Бос. - сварочное усилие; 1св - сварочный ток, А2 - деформация при сварке;
Т - температура, 1 - время
В результате проведенных исследований было установлено, что существует оптимальная скорость оплавления, при которой обеспечиваются наилучшие показатели качества соединения - рис. 2 «г».
На основе анализа полученных результатов выбраны оптимальные параметры технологического процесса, которые приведены в таблице №3.
Соединение двух полуколец с целью получения сварной кольцевой заготовки производилось в соответствии с циклограммой технологического процесса контактной стыковой сварки оплавлением, представленной на рис.3
Необходимо отметить, что при сварке на оптимальном режиме перед последующей механической обработкой требуется удаление грата, который имеет высокую твердость и «рваный» вид.
Высота грата около 5 мм, а ширина - 7 мм. Грат располагается в двух противоположных областях кольцевой заготовки.
Таблица №3
№ Параметр Величина
1 Скорость оплавления (Уопл.), мм/с 0,8
2 Количество импульсов подогрева, шт. 3
3 Припуск на оплавление (Аопл.), мм 6
4 Общий припуск на оплавление и осадку (А^), мм 10
5 Ток оплавления (1опл.), кА 5
6 Напряжение (и), В 6,04
7 Скорость осадки (Уос.), мм/с 60
8 Усилие осадки (Бос.), кН 50
9 Ток осадки (1ос.), кА 25
Выводы.
1. Предложен технологический процесс изготовления кольцевой заготовки на основе контактной стыковой сварки оплавлением двух полуколец.
2. На основе анализа влияния основных параметров режима сварки на качество сварного соединения выбраны оптимальные их значения.
Список литературы
1. Чвертко П.Н., Молтасов А.В., Самотрясов С.М. Расчет усилия осадки при контактной стыковой сварке изделий замкнутой формы // Автоматическая сварка. 2014, № 1, -С 50-53
2. Контактная стыковая сварка изделий из высокопрочных сплавов на основе алюминия /С. И. Кучук-Яценко, П.Н. Чвертко, Л. А. Семенов и др. // Автоматическая сварка. 2013, № 7, -С 3-7
3. Чвертко П.Н., Семенов Л. А., Гущин К.В. Контактная стыковая сварка оплавлением тонкостенных профилей из термически упрочняемых алюминиевых сплавов. //Автоматическая сварка. 2014, №12, -С 36-40
4. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов, М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2014, 487с
5. Дрижов В. С., Иванов А.И., Степанов А.И. Автоматическая сварка на автомате АВК для соединения полусепараторов шарикоподшипников // Сварочное производство, 1989, №3 С 7-9
6. Влияние неравномерности нагрева на величину усилия осадки и время проковки при контактной стыковой сварке кольца (Молтасов А.В., Самотрясов С.В., Кныш В.В., Чвертко П.Н., Гущин К.В. Автоматическая сварка. // 2014, № 10, -С 13-16
Drizhov Viktor Sergeevich - Cand. Nech.Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Bauman Moscow State Technical University Moscow, Russian Federation
TECHNOLOGICAL PROCESS MANUFACTURING RING BLANKS BY WELDING
Annotation: The paper analyzes the process of manufacturing welded ring blanks. In carrying out the work carried out experimental studies of the influence of welding parameters on the quality of the ring blanks made of two halves. It was established that the formation of high-quality welded joint is of great importance melting rate.
The research strength of the welded joint, as well as metallographic analysis allowed to determine the optimal parameters of welding. The results obtained can be used in the manufacture of annular preforms, including rings and bearings. Keywords: ring, butt welding, melting speed, quality
УДК 65.01.007
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА БЕРЕЖЛИВОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО РЕМОНТА ТЕХНИКИ Епсилова Ирина Андреевна, инженер-менеджер по качеству (e-mail: [email protected]) Болукова Марина Андреевна, магистрант (e-mail: [email protected]) Научный руководитель к.т.н., доцент, действительный член Академии проблем качества Сущев Анатолий Константинович Владимирский государственный университет, Россия
Рассматриваются вопросы организации восстановительного ремонта автотранспортной и сельскохозяйственной техники в регионе на базе инновационного центра ремонта с применением метода бережливого производства.
Ключевые слова: технический сервис, восстановительный ремонт, бережливое производство, качество ремонта.
Основной целью организации технического сервиса (ТС) в регионе является обеспечение технической готовности автотранспортной и сельскохозяйственной техники к выполнению запланированных работ в установленные сроки. Поэтому одним из основных критериев качества работ предприятий ТС является качество проведения ТОиТР и уровень работоспособность техники, прошедшей ТОиТР. Качество отремонтированной техники характеризуется совокупностью свойств, обуславливающих ее пригодность выполнять работы в соответствии с ее назначением. Комплексным показателем качества отремонтированной техники является коэффициент готовности Кг, который по ГОСТ 27002-89 определяется из выражения
К = Тс
г (Тс+Тв) где Тс- средняя наработка техники на отказ;
Тв- среднее время восстановления работоспособности.
Данное выражение показывает, что для повышения коэффициента готовности техники следует повышать уровень восстановления работоспособности техники, вплоть до уровня показателей нового изделия, и, тем самым, повышать время Тс. С другой стороны, необходимо повысить уровень организации ТС как на отдельных ремонтных предприятиях, так и в
